飞机设计飞机还能不对称超音速飞行的

发布时间:2017-2-27 14:44:16   点击数:
飞机的奥妙就在于机翼。从莱特兄弟到现在,除了航空动力外,几乎每一次航空技术的重大突破都离不开在机翼上作文章。机翼产生升力,机翼也是阻力最大的来源;机翼还是实现超音速飞行的奥妙所在。

机翼产生升力,机身装载人和货,机翼和机身连接的地方自然成为承力的集中点,翼根需要极大地加强,使结构重量增加。

但机翼-机身的传统结构至今依然是飞机的主流,最新的波音也不能例外。

机翼产生升力源于气流从前往后的流动,但机身是“死重”,这个问题使机翼和机身的连接部受力很高,从结构上讲效率不高。

最好的办法是所有的载重都在机翼内,那样结构强度要求最低。这说明,没有机身、只有机翼的飞翼的大方向正确。

诺思罗普很早就开始研究飞翼,这是40年代的N9M飞翼。

诺思罗普曾打算研制飞翼客机。

这样很多乘客可以体验只有飞行员的才看得到的景色了。

今天最出名的飞翼当然非B-2轰炸机莫属。

没有了传统的机身,使B-2相对不大的尺寸可以达到比B-52还大的载弹量和航程。

传统飞翼还是两侧对称的,也就是说,机身虽然没有了,但两侧“机翼”的后掠角还是一样的,所以还是有后掠翼的所有问题。

平直翼是升力最大的,但平直翼阻力大。后掠翼可以减少阻力,在超音速飞行时,就需要后掠角很大的大后掠翼了。

超音速飞行的挑战在于激波。飞机的速度超过音速之后,空气的波动传导速度还是音速,所以飞机前端的空气被急剧压缩,形成锥形的锋面。前锋压力急剧升高,锋面后压力迅速下降,空气速度降低到亚音速。

机头引起的激波是没有办法的,但机翼“躲”在激波锥的后面,不激起自己的激波,就可以有效地躲开激波阻力和压力剧变引起的颤振问题。

除了大后掠翼外,短翼展机翼也可以做到“躲”在机头激波锥的后面,但这是另外一个问题了。

X-15的激波,可以看到,短粗的梯形机翼躲在机头的主激波锥之后,否则机翼自己产生的激波阻力也是不得了。

长一点的平直翼肯定伸到机头激波锥外面,但大后掠翼也可以躲在机头激波锥后面,而不导致额外阻力。

大后掠翼“躲”在机头的激波锥的前锋后面,解决了超音速飞行的问题,但带来了新的问题。

后掠角加大后,纵向气流在机翼展向流动的分量加大,造成升力损失。在速度降低后,机翼本来产生的升力就低,升力损失更加要命,所以大后掠翼的飞机的起落速度都很高,对机场跑道长度的要求很高。

大后掠翼的另一个问题是巡航油耗也高。机翼的相对厚度是实际厚度与机翼弦长(从前到后的距离)之比。

机翼的弦长是渐变的,实际厚度也不完全一样,所以相对厚度也是渐变的,讨论只能取一个平均值,或者按惯例取1/4翼展的地方的值。

相对厚度较高,机翼较肥厚,产生同等的升力所需要的机翼表面积小,阻力小,或者说升阻比高,这样巡航就省油。

另一方面,相对厚度低,绝对阻力就小。滑翔机的机翼细长和超音速飞机的机翼短粗就是这个道理。对于同一个机翼,宽度和厚度已经固定,但增大后掠角的话,弦长增加,相对厚度也随之减小。

滑翔机的机翼相对厚度较高,升阻比很高,加上很大的翼展,可以靠空气中的上升气流飘飞很久。

两倍音速以上的F-15的机翼就比较短粗。

变后掠翼就是要利用同一机翼在不同后掠角的不同气动性质,达到在不同速度下都最优的效果。

但变后掠翼有很多麻烦,不仅有机械上的,还有总体布置上的。变后掠翼在60年代时行过一阵,后来因为重量、机械可靠性和其他实际困难而消隐。今天的新一代军民用飞机已经没有变后掠翼设计的了。

即使退休了F-14依然是名气最大的变后掠翼飞机。

高速飞行时,机翼增加后掠,降低阻力。

但变后掠翼的概念依然吸引人,如果能消除变后掠翼的不足,这还是一个很有生命力的概念。

于是斜翼的概念粉墨登场。斜翼在低速时是平直翼,也就是说没有后掠。随着速度的增加,一侧后掠角增加,另一侧反向前掠,好像整个机翼拧过来一样。从空气的角度来看,这还是后掠,只是机翼只有“一边”,没有了“另一边”。

AD-1是至今唯一飞起来的载人斜翼飞机。

斜翼在结构上少了变后掠翼的很多问题,比如说变后掠翼的铰链位置很不好确定,但斜翼的铰链位置只有一个:在中间。要是斜翼飞机根本没有了机身,而是飞翼,就更没有问题了。

斜翼不是没有问题的。问题之一是起飞着陆时翼展巨大,但这是飞翼的通病,不是新问题。要是斜翼不做的很大,问题不太严重。

另一个问题是机翼-机体的角度一直在变,飞行员座舱的角度随着变,操作会很别扭。不过要是斜翼飞翼用于无人机,这些就不是问题了。

美国国防先进研究局(DARPA)和诺思罗普正在研究两种斜翼飞翼,都是无人机。一种是所谓“折刀”,在斜翼中央翼下吊挂一对发动机;另一种在斜翼的两侧中段各吊挂一个发动机。

诺思罗普“折刀”在低速时就像平常的飞翼。

但高速时,就好像斜挑着扁担一样。

这是诺思罗普的另一个方案。

随着速度的增高,斜翼的后掠角增大。

M1.2的时候已经达到65度的后掠角。

通常大后掠翼飞机要在低速和高速性能之间平衡,M1.2还不敢用这么大的后掠角,实际上损失了一些超音速性能。斜翼就没有这个顾虑,只要需要,后掠角还可以继续增大,只要不是前面的发动机挡着后面的路就成。

“折刀”估计还是用机械的方法扭转斜翼,用飞控系统补偿反力矩作用,维持正常飞行。

另一种尚不知名的斜翼飞翼则更加巧妙,用两台发动机的相对推力差扭转斜翼。理论上,铰链可以自由旋转,根本不需要液压或者别的机械作动机构产生扭转。

当然,两台发动机的推力方向要保持平行,否则互相拉扯起来会不好办。这可以用平行的机械连杆做到,并不复杂。

这两种斜翼飞翼将具有很大的翼内油箱,可以在低速到超音速范围内保持最高的气动效率,是居家旅行杀人放火的必备利器。

这两种斜翼现在还是实验性的,还没有太大的实用价值,最多以后用作侦察、监视什么的,或许还能载弹攻击。

斜翼在未来也不大可能扩展到常规的客机或者战斗机,货机倒是有可能。









































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